由新紅，張志軒，李 帥，張鵬平

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)神經(jīng)末梢，直接面向千家萬戶，是影響用戶供電可靠性和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1-2］。近年來，隨著傳統(tǒng)電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相互滲透和優(yōu)質(zhì)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益健壯、設(shè)備入網(wǎng)檢測力度不斷加大，配電自動化覆蓋率持續(xù)增長［3-4］，線路故障停電率逐年下降。然而，低壓配電網(wǎng)的發(fā)展受到多種因素制約已明顯滯后于中壓配電網(wǎng)［5-8］：一是低壓配電網(wǎng)點多線長面廣，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備質(zhì)量參差不齊，難以通過遠(yuǎn)程通信方式建立自動化“三遙”系統(tǒng)，低壓配網(wǎng)數(shù)據(jù)層面基本處于“黑盒”狀態(tài)［9-11］；二是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行力度不足，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，各類監(jiān)測設(shè)備硬件獨立、軟件固化，數(shù)據(jù)采集及其通信方式隨制造廠家不同而各成一家，擴(kuò)展性、靈活性差、業(yè)務(wù)需求響應(yīng)不及時，滯緩數(shù)字化低壓配網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程［12-13］；三是低壓配電網(wǎng)用戶性質(zhì)多樣，負(fù)荷波動較大，而儲能、分布式光伏等新能源接入比例的不斷增加，加劇了低壓配網(wǎng)電壓波動、三相不平衡等問題，同時也引發(fā)了高比例棄風(fēng)棄光率問題［14-16］。因此，解決配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用薄弱環(huán)節(jié)，提高配電網(wǎng)建設(shè)運維管理水平，提升客戶優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平是當(dāng)前推動配電網(wǎng)發(fā)展的必經(jīng)之路。

2018 年國家電網(wǎng)有限公司印發(fā)《關(guān)于做好智能配變終端應(yīng)用工作的通知》（設(shè)備配電［2018］35號），明確提出了“探索實踐以智能配變終端為核心的配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”“構(gòu)建低壓配電網(wǎng)運行監(jiān)測體系”“提升配電網(wǎng)精益管理水平”，國網(wǎng)山東省電力公司貫徹落實相關(guān)工作部署，以“探索建設(shè)以智能配變終端為核心的配電物聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)”為目標(biāo)，基于“云、管、邊、端”技術(shù)架構(gòu)，先后建成試點配電室和省級配電物聯(lián)網(wǎng)云主站，推廣智能配變終端應(yīng)用，以低壓臺區(qū)數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，積極開展臺區(qū)運行狀態(tài)監(jiān)測、營配數(shù)據(jù)交互、故障定位與主動搶修等試點應(yīng)用，實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)運行狀態(tài)可觀可控，為配電網(wǎng)精益管控提供有力支撐。

深入分析山東低壓配電臺區(qū)融合終端數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀、營銷側(cè)電能表數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀，計及現(xiàn)階段技術(shù)應(yīng)用及建設(shè)成本，提出下一步低壓臺區(qū)數(shù)據(jù)采集優(yōu)化方案。進(jìn)而基于臺區(qū)智能融合終端的采集數(shù)據(jù)，從配網(wǎng)設(shè)備精益運檢、營銷客戶優(yōu)質(zhì)服務(wù)、新能源消納與新負(fù)荷管理三個角度分析了當(dāng)前低壓臺區(qū)數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀，最后，深度挖掘數(shù)據(jù)價值，從提升電網(wǎng)企業(yè)內(nèi)部建設(shè)、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展兩個層面，提出了低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)拓展應(yīng)用方向。

1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)分析

1.1 數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀分析

低壓配電物聯(lián)網(wǎng)整體拓?fù)浼軜?gòu)如圖1 所示，其中，RF 表示射頻，RS-485 為通信接口，M-BUS 為總線通信。10 kV 母線經(jīng)臺區(qū)變壓器降壓，依次通過框架斷路器—低壓母線—電纜分支箱—表箱—用戶電表，至低壓用戶負(fù)荷。分支箱子終端和表箱子終端分別采集箱內(nèi)塑殼斷路器的開關(guān)狀態(tài)和交流采樣信息，各終端以脈沖電流注入方式實現(xiàn)低壓拓?fù)渥詣幼R別，表箱子終端可實時監(jiān)測用戶停電信息并上傳至配電云主站。通過建立I型集中器與融合終端通信機制，實現(xiàn)電壓、電流數(shù)據(jù)、日凍結(jié)、電表檔案等數(shù)據(jù)就地貫通，寬帶電力線載波（High Power Line Carrier，HPLC）智能電能表停電信息無延時上送至配電云主站。

圖1 低壓臺區(qū)整體拓?fù)浼軜?gòu)

融合終端作為低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算節(jié)點，是“邊端數(shù)據(jù)自組織，邊云業(yè)務(wù)自協(xié)同”的載體和關(guān)鍵環(huán)節(jié)［17］，實現(xiàn)臺區(qū)智能終端硬件平臺和軟件功能的解耦。對下，邊緣計算節(jié)點與端設(shè)備通過數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)邊端協(xié)同，支持端對邊的即插即用接入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)全采集、全感知、全掌控［18］；對上，邊緣計算節(jié)點與云主站實時交互關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)邊云協(xié)同，支持邊對云的自注冊及新應(yīng)用程序（Application，APP）虛終端方式接入云，減低云端數(shù)據(jù)處理壓力，實現(xiàn)臺區(qū)自治［19-21］。

1.1.1 融合終端數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀

融合終端對下層設(shè)備一般采用RS-485 串口和HPLC 寬帶載波兩種通信方式，對上通過4G 通信模塊與云主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。融合終端采集APP，采集下層多功能表、電子式塑殼斷路器、剩余電流保護(hù)器、集中器、末端終端、智能電容器和浪涌保護(hù)器等設(shè)備的數(shù)據(jù)，融合終端采集APP清單如表1所示。

表1 融合終端APP

1.1.2 營銷側(cè)電能表數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀

自2009 年起，全面推進(jìn)用電信息采集工程建設(shè)，2015年實現(xiàn)了智能電能表和用電信息采集“全覆蓋”，其中93%以上客戶采用“Ⅱ型集中器+485 電能表”采集方案，不足7%的客戶采用“Ⅰ型集中器+HPLC智能電能表”采集方案。Ⅰ型集中器安裝在臺區(qū)總表處，通過電力載波采集電能表信息，以GPRS等無線方式直接上送至用電信息采集主站；Ⅱ型集中器安裝在臺區(qū)低壓側(cè)計量箱內(nèi)，通過RS485 采集電能表信息，信息上行同樣采用GPRS等無線方式。

營銷側(cè)電能表數(shù)據(jù)上送至配電云主站有兩種試點方案。方案1：I 型集中器+末端感知模塊+II 型集中器+485 電能表；方案2：I 型集中器+HPLC 智能電能表。兩種方案分別如圖2、圖3所示。

圖2 方案1交互架構(gòu)

圖3 方案2交互架構(gòu)

方案1：在II 型集中器處加裝末端感知單元，讀取電表數(shù)據(jù)，通過寬帶載波（HPLC）方式將采集數(shù)據(jù)傳輸至I 型集中器，I 型集中器通過4GVPN 專網(wǎng)將電量等數(shù)據(jù)直接上傳至用采主站，同時通過RS-485與融合終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。融合終端通過4GVPN 專網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至配電云主站。

方案2：I 型集中器與載波電表采用HPLC 通信方式進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)交互遵循面向?qū)ο驞L/T 698.45規(guī)約或DL/T 645—2007 規(guī)約。I 型集中器通過4G 公網(wǎng)/專網(wǎng)將電量等數(shù)據(jù)直接上傳至用采主站，同時通過以RS-485 與融合終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。融合終端通過4GVPN專網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至配電網(wǎng)云主站。

1.2 數(shù)據(jù)采集優(yōu)化提升

除新建試點臺區(qū)外，對已建臺區(qū)的塑殼斷路器等開關(guān)，均通過配置多功能表、分支箱/表箱子終端設(shè)備、加裝線路電流互感器，采集開關(guān)狀態(tài)、交采數(shù)據(jù)等信息，并將采集的信息上送至融合終端。而配電網(wǎng)點多面廣、開關(guān)設(shè)備量大且分布范圍廣，電流互感器和開關(guān)采集子終端也隨之?dāng)?shù)量龐大，是配電網(wǎng)投資建設(shè)中不可忽視的一項成本，另一方面，加裝分支箱、表箱子終端的方式，使得融合終端下發(fā)的遙控指令無法直接到達(dá)開關(guān)設(shè)備，限制了未來對臺區(qū)開關(guān)實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作的發(fā)展進(jìn)程。數(shù)據(jù)傳輸信道方面，僅試點臺區(qū)具備低壓臺區(qū)完整拓?fù)?，采集子終端通過RS-485串口或者HPLC載波通信方式與臺區(qū)融合終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，RS-485 通信受傳輸距離和設(shè)備容量限制，無法滿足實際臺區(qū)建設(shè)需求，HPLC 載波通信方式，因低壓電力線本身的介質(zhì)、結(jié)構(gòu)、負(fù)荷影響，載波信號抗干擾能力較差，無法實現(xiàn)低壓臺區(qū)高可靠性數(shù)據(jù)傳輸建設(shè)目標(biāo)。

針對目前低壓臺區(qū)數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)交互現(xiàn)狀，考慮現(xiàn)階段技術(shù)應(yīng)用及建設(shè)成本，構(gòu)建“HPLC電力載波+微功率無線”雙模通信網(wǎng)絡(luò)，規(guī)范配電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)接口，降低采集裝置冗余度，提高低壓臺區(qū)數(shù)據(jù)傳輸靈敏度，進(jìn)一步提高低壓側(cè)設(shè)備狀態(tài)、用戶負(fù)荷、分布式能源等區(qū)域性的源、網(wǎng)、荷信息感知度，利用數(shù)據(jù)融合價值，將云主站打造為山東低壓能源互聯(lián)網(wǎng)運行決策支持中心。優(yōu)化后低壓臺區(qū)拓?fù)浼軜?gòu)如圖4 所示。按照此技術(shù)方案，塑殼斷路器、剩余電流保護(hù)器等采用低壓智能斷路器，不需要再對應(yīng)加裝線路電流互感器和相應(yīng)的采集子終端，其運行信息可通過內(nèi)嵌通信模塊直接上送融合終端，用戶側(cè)HPLC 電表停復(fù)電信息可通過I 型集中器實時上送至融合終端。

圖4 優(yōu)化后低壓臺區(qū)拓?fù)浼軜?gòu)

2 數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

遵循公司配電物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，以配用電領(lǐng)域應(yīng)用需求為導(dǎo)向，開展以臺區(qū)智能融合終端為基礎(chǔ)的配電物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景建設(shè)。從配電網(wǎng)專業(yè)應(yīng)用角度出發(fā)，將臺區(qū)智能融合終端的數(shù)據(jù)應(yīng)用按照場景劃分配網(wǎng)設(shè)備精益運檢、營銷客戶優(yōu)質(zhì)服務(wù)、新能源消納與新負(fù)荷管理三大類，包括8個應(yīng)用場景。

1）支撐配網(wǎng)設(shè)備精益運檢。包括配變運行狀態(tài)監(jiān)控、故障精準(zhǔn)定位與主動搶修、電能質(zhì)量監(jiān)測與供電可靠性分析3個應(yīng)用場景。

配變運行狀態(tài)監(jiān)控。基于臺區(qū)智能融合終端交流采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析配電變壓器運行工況、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境情況及其他信息并上傳云主站。

故障精準(zhǔn)定位與主動搶修。融合終端實時獲取配變低壓側(cè)設(shè)備停電、復(fù)電事件，就地分析事件真實性、故障定位及停電范圍并上傳云主站，主站確認(rèn)后即刻發(fā)起搶修工單并通知到戶。

電能質(zhì)量監(jiān)測與供電可靠性分析。融合終端就地分析低壓配網(wǎng)三相不平衡、諧波等電能質(zhì)量問題，計算臺區(qū)可靠性數(shù)據(jù)并上送主站，實現(xiàn)配網(wǎng)就地治理。

2）營銷客戶優(yōu)質(zhì)服務(wù)。包括臺區(qū)精益線損監(jiān)測、低壓用戶接入方案優(yōu)化、反竊電實時監(jiān)測3 個應(yīng)用場景。

臺區(qū)精益線損監(jiān)測。融合終端實時監(jiān)測電壓、電流、有功、凍結(jié)電量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，就地開展臺區(qū)分路、分相線損統(tǒng)計分析并送至云主站，實現(xiàn)低壓線損實時監(jiān)管。

低壓用戶接入方案優(yōu)化。綜合考慮設(shè)備和線路承載能力、負(fù)荷特性、分布式電源容量等因素，自動生成用戶接入方案。

反竊電實時監(jiān)測。融合終端就地計算臺區(qū)、分支和用戶側(cè)的線損數(shù)據(jù)，實現(xiàn)臺區(qū)內(nèi)分時、分段精益化線損管理，就地分析、定位竊電行為，并上送到云主站。

3）新能源消納與負(fù)荷管理。包括新能源靈活消納與智能控制、電動汽車有序充電與充電樁布點優(yōu)化2個應(yīng)用場景。

新能源靈活消納與智能控制。融合終端融合新能源接入、臺區(qū)運行工況等信息，形成符合用戶用能方式的新能源工作策略，調(diào)節(jié)用戶彈性負(fù)荷，保障配網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行。

電動汽車有序充電與充電樁布點優(yōu)化。融合終端根據(jù)配變負(fù)載率、充電樁群充電功率信息，最優(yōu)配置配變負(fù)載資源及充電樁布點，依托不同充電策略下的分時電價、充電積分等，引導(dǎo)用戶有序充電，實現(xiàn)用戶經(jīng)濟(jì)效益和配變利用率最大化。

2.2 拓展應(yīng)用

2.2.1 電網(wǎng)行業(yè)內(nèi)部產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈

對于電網(wǎng)行業(yè)內(nèi)部產(chǎn)業(yè)，配電網(wǎng)智能化感知與物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用，為構(gòu)建電力行業(yè)生態(tài)鏈提供了大數(shù)據(jù)資源庫，低壓配電網(wǎng)運行透明化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢，推動著傳統(tǒng)電力裝備智能感知、就地決策的革新，基于特征識別的臺區(qū)負(fù)荷精準(zhǔn)預(yù)測，為滿足客戶個性化、多元化、智能化服務(wù)需求提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備現(xiàn)狀、用電規(guī)模、分布式電源等數(shù)據(jù)的深度融合，為配電網(wǎng)的科學(xué)規(guī)劃與精準(zhǔn)投資提供決策支持。

智能設(shè)備生態(tài)鏈建設(shè)。通過臺區(qū)、線路、管道的物聯(lián)網(wǎng)化改造建設(shè)，提升傳統(tǒng)電力裝備智能感知、決策能力，降低生產(chǎn)人員勞動強度和設(shè)備安裝運維成本，促進(jìn)設(shè)備制造智能化水平和配電運檢自動化水平提升，建立新型配電一次設(shè)備轉(zhuǎn)型升級和智能化融合的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。

客戶服務(wù)水平智能化提升。基于具有非侵入式電力負(fù)荷辨識的新型智能電表等端設(shè)備，獲取低壓用戶負(fù)荷辨識信息，上送云主站。云主站結(jié)合用戶各類負(fù)荷接入時段、平均功耗以及分時電價政策，以網(wǎng)上國網(wǎng)或短信的形式將對用戶用電行為調(diào)整和節(jié)約用電建議推送給用戶，從服務(wù)上保障個性化、綜合化、智能化服務(wù)需求。

配電網(wǎng)科學(xué)規(guī)劃與精準(zhǔn)投資。充分利用邊端全息感知數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備現(xiàn)狀、配網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)、用電規(guī)模、負(fù)荷分布等信息，考慮區(qū)域內(nèi)用電用戶特征、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、環(huán)境地貌、分布式電源等情況，在云端智能制定具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性的配電網(wǎng)規(guī)劃和投資方案，實現(xiàn)配電網(wǎng)的科學(xué)規(guī)劃與精準(zhǔn)投資。

2.2.2 支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會服務(wù)

對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會服務(wù)，配電網(wǎng)物理網(wǎng)架建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的搭建，為構(gòu)建電、氣、熱、冷綜合能源廣泛互聯(lián)有機融合的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)提供了物理平臺和信息通道，全面提升社會服務(wù)能力，配電網(wǎng)特有的對社會用電量數(shù)據(jù)的時空感知屬性，為研判經(jīng)濟(jì)運行趨勢、制訂污染防控方案、分析改善民生戰(zhàn)略成效、防控電力金融風(fēng)險提供決策支撐。

能源平臺構(gòu)建與綜合服務(wù)拓展。在供電、供氣、供冷、供熱等各種能源供應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運行的過程中，依托設(shè)備側(cè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在配電側(cè)的平臺和通道，對各類能源的分配、轉(zhuǎn)化、存儲、消費等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化，實現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測、設(shè)備管理、信息化管理、配電運維、需求響應(yīng)提供有效的決策支撐服務(wù)，滿足供能多元化、服務(wù)多元化、用能方式多元化的客戶需求，實現(xiàn)能源資源最大化利用的運行模式和技術(shù)。

配用電數(shù)據(jù)價值共享?；谄髽I(yè)中臺大數(shù)據(jù)采集、處理、分析、可視化等技術(shù)，深度挖掘社會用電量等數(shù)據(jù)價值，為經(jīng)濟(jì)分析、節(jié)能環(huán)保、保障民生、金融投資等方面提供豐富的數(shù)據(jù)支撐。一是研判經(jīng)濟(jì)運行趨勢，充分利用數(shù)據(jù)價值，從行業(yè)、產(chǎn)業(yè)、規(guī)模用戶等多角度分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，優(yōu)化區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，因地制宜推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展。二是輔助制定污染防控方案，根據(jù)重點污染防控企業(yè)用電量變化數(shù)據(jù)，分析企業(yè)生產(chǎn)重污染元素改善指數(shù)，助力各行各業(yè)綠色發(fā)展新趨勢。三是支撐改善民生成效分析，跟蹤中小企業(yè)電量變化、小區(qū)空房率、機井通電惠民、煤改電扶貧、光伏收益等民生數(shù)據(jù)，分析新舊動能轉(zhuǎn)化、扶貧成效、鄉(xiāng)村振興等戰(zhàn)略的建設(shè)成效，為政府部門提供計算數(shù)據(jù)支撐。四是防控金融投資風(fēng)險，根據(jù)企業(yè)的用電量波動、用電量趨勢、用電差異度、行業(yè)用電量對比分析等數(shù)據(jù)，分析企業(yè)信用水平，為理財投資服務(wù)、能源保險服務(wù)、信貸服務(wù)等金融業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)語

圍繞配電網(wǎng)是影響供電服務(wù)水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)”這一定位，緊密結(jié)合國家數(shù)字新基建和山東省配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀，深入分析了山東低壓配電臺區(qū)融合終端數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀、營銷側(cè)電能表數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀，計及現(xiàn)階段技術(shù)應(yīng)用及建設(shè)成本，提出了下一步低壓臺區(qū)數(shù)據(jù)采集優(yōu)化方案。

進(jìn)而，以能源網(wǎng)架、信息支撐、價值創(chuàng)造“三大體系”的深度融合為導(dǎo)向，基于臺區(qū)智能融合終端的采集數(shù)據(jù)，從配網(wǎng)設(shè)備精益運檢、營銷客戶優(yōu)質(zhì)服務(wù)、新能源消納與新負(fù)荷管理三個角度分析了當(dāng)前低壓配網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用價值。

最后，提出了低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)深度應(yīng)用價值，為提升電網(wǎng)企業(yè)內(nèi)部建設(shè)，服務(wù)整個經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。